بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر، از مدل هیدرولوژیکی توزیعی -مکانی WetSpa جهت شبیه سازی جریان رودخانه و برآورد رواناب سطحی در حوضه آبخیز رود زرد با مساحت 810 کیلومتر مربع واقع در بالادست سد جره در استان خوزستان استفاده شد . مدل WetSpa رواناب حوضه را با استفاده از مدل انتقال موج پخشی مبتنی بر شیب، سرعت جریان و ویژگی های توزیعی در طول مسیر جریان روندیابی میکند. دامنه تغییرات ارتفاعی حوضه رود زرد بین 326 تا 3300 متر و بارش میانگین سالانه حوضه 662 میلیمتر میباشد.
داده های آب و هواشناسی با گام زمانی روزانه و در طول دوره آماری 1991 تا 1997 شامل آمار بارش 14 ایستگاه و دما و تبخیر اندازه گیری شده 4 ایستگاه به عنوان ورودی مدل استفاده شد. همچنین جهت اجرای مدل سه نقشه پایه شامل مدل رقومی ارتفاع، کاربری اراضی و بافت خاک با اندازه سلولهای 50 متر در 50 متر در محیط GIS تهیه شدند. نتایج شبیه سازی تطابق نسبتأ قابل قبولی بین هیدروگرافهای مشاهده ای و شبیه سازی شده در خروجی حوضه را نشان داد. به گونه ای که طبق معیار ناش -ساتکلیف، هیدروگرافهای روزانه با دقت قابل قبولی 60/11 و 50/43 درصد، به ترتیب برای دورههای واسنجی و اعتبارسنجی برآورد شد وهمچنین بر اساس معیار جمعی نیز عملکرد مدل در دسته خیلی خوب قرار گرفت.
.1 مقدمه
امروزه به دلیل پیچیده بودن ماهیت و عدم قطعیت در تخمین پارامترهای مربوط به رفتارهای هیدرولوژیکی و همچنین محدودیت امکان اندازهگیری پارامترهای هیدرولوژیکی در زمان و مکان، استفاده از مدلهای هیدرولوژیکی میتواند ابزاری مفید برای پیشبینی و تخمین دادههای مورد نیاز برای مسائل کاربردی در زمینههای مختلف منابع آب باشد که به گرفتن تصمیمات بهینه در مدیریت حوضههای آبخیز کمک زیادی خواهد کرد - بیون، . - 2001 مدلهای هیدرولوژیکی بر اساس سامانههای مربوط به چرخه آب عمل میکنند و برخی از فرآیندهای مربوط به این چرخه را شبیهسازی میکنند. به این ترتیب این مدلها قادر به برآورد رفتار هیدرولوژیکی یک حوضه نسبت به رویدادهای بارش میباشند
امروزه مدلهای مختلف هیدرولوژیکی برای شبیهسازی رفتارهای هیدرولوژیکی ارائه شده است که میتوان از لحاظ تغییرات مکانی آن ها را به 3 دسته، مدلهای یکپارچه، مدلهای نیمه توزیعی و مدلهای توزیعی تقسیم بندی کرد. در مدلهای یکپارچه، پارامترها درون حوضه تغییر مکانی ندارند و در مدل های نیمه توزیعی پارامترهای مدلها تا حدی تغییر مکانی دارند، به گونهای که فقط در تعدادی از زیر حوضه های کوچک اجازه تغییر مکان دارند، ولی در مدلهای توزیعی پارامترهای مدلها تغییر مکانی را در دقتی که توسط کاربر انتخاب میشود، فراهم میکنند. یکی از مدلهای توزیعی، مدل هیدرولوژیکی- توزیعی WetSpa است که برای شبیهسازی فرایندهای هیدرولوژیکی به کار میرود.
این مدل، یک مدل پیوسته هیدرولوژیکی- فیزیکی است که قابلیت پیشبینی سیلاب و شبیهسازی بیلان آبی، فرسایش، انتقال رسوب، کیفیت آب و مدیریت آبریز و زیر حوضه آبریز و شبکه سلولی با گامهای زمانی مختلف را داراست - زینیوند و دیاسمت، . - 2009 تاکنون مطالعات متعددی در داخل و خارج کشور با استفاده از این مدل در حوضههایی با شرایط مختلف فیزیوگرافی و هیدرولوژیکی انجام شده است که از جمله مطالعات انجام شده در خارج از کشور را میتوان به مطالعه وانگ و همکاران - 1997 - اشاره کرد که مدل توزیعی WetSpa را در حوضه آبخیز ترکلپ- مولنبیک در بلژیک اجرا کردند.
نتایج پژوهش آن ها نشان داد که مدل به خوبی قابلیت پیشبینی رواناب سطحی را داراست و ترکیب مدلسازی توزیعی و GIS بسیار سودمند بوده است. در مطالعه دیگر، لی یو و دی اسمیت - 2004 - مدل WetSpa را با گام زمانی یک ساعته در حوضه آبخیز کوچکی با مساحت 67/8 کیلومتر مربع، در بلژیک اجرا نمودند. با تحلیل آماری هیدروگرافهای حاصل از مدل و هیدروگرافهای مشاهدهای به این نتیجه رسیدند که مدل به خوبی قابلیت پیشبینی جریانهای عادی و سیلابی را دارد. بهرهمند و همکاران - 2007 - به بررسی کاربرد مدل WetSpa درحوضه رودخانه هورنارد دراسلواکی با مساحت 4262 کیلومتر مربع پرداختند.
نتایج حاصل نشان داد که در خروجی حوضه و در زیر حوضههای اصلی، انطباق خوبی بین هیدروگراف حاصل از مدل با هیدروگراف مشاهدهای وجود دارد و با توجه به معیار ناش- ساتکلیف مدل هیدروگرافهای روزانه را با دقت 75 تا 85 درصد پیشبینی کرده است. ریتابول و همکاران - 2007 - با استفاده از مدل هیدرولوژی WetSpa به پیشبینی رواناب در رودخانه سیمیو، در محدوده دریاچه ویکتوریا در کشور تانزانیا پرداختند. نتایج نشان داد که این مدل به خوبی قابلیت روندیابی جریان در رودخانه را دارد.
صفری و همکاران - 2009 - کاربرد مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa در پروژهای در آمریکا DMIP2 مورد بررسی قرار دادند. آنها در این پژوهش، برای ارزیابی عملکرد مدل از معیار یکپارچگی استفاده کردند. نتایج برای کالیبراسیون 5 رودخانه این حوضه، به جز رودخانه بلو، عالی تا خیلی خوب و برای کل دوره اعتبارسنجی، خوب تا خیلی خوب بود و مدل قادر بود فرآیندهای هیدرولوژیکی مربوطه را با دقت بالایی شبیه سازی کند.
وربرین و همکاران - 2013 - تأثیر تغییرات و گسترش محدوده شهری بر دبی ساعتی حوضه آبخیز رودخانه تولکا در کشور ایرلند را با استفاده از سنجش از دور و مدل WetSpa مورد بررسی قرار دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که با گسترش محدوده شهری، زمان تا اوج سیلاب کاهش یافته و ضریب رواناب و دبی اوج بطور قابل توجهی افزایش مییابد.
گوس و همکاران - 2013 - به شبیهسازی دبی روزانه حوضه آبخیز ماهانادی در کشور هندوستان با استفاده از دادههای ارتفاع آب و دبی روزانه مشاهده شده در 2 سری با تأخیر زمانی و بدون تأخیر زمانی و کاربرد سامانه استنتاجی فازی- عصبی تطبیقی پرداختند. نتایج پژوهش آنها نشان داد که دادههای تأخیر داده شده تخمین دقیقتری از رواناب روزانه را ارائه میدهد.
همچنین در ایران نیز از این مدل جهت شبیه سازی رواناب استفاده شده است که از جمله میتوان مطالعه کبیر و همکاران - 2011 - اشاره کرد که به بررسی کاربرد مدل هیدرولوژیکی توزیعی WetSpa در حوضه گرگانرود با مساحت 6717 کیلومتر مربع پراختند. نتایج آنها نشان داد که تطابق خوبی بین هیدروگرافهای محاسبه شده و مشاهدهای وجود دارد و با توجه به معیار ناش - ساتکلیف مدل هیدروگراف روزانه را با دقت 71 تا 77 درصد پیشبینی کرد. در مطالعه حاضر، از مدل هیدرولوژیکی توزیعی -مکانی WetSpa جهت شبیه سازی جریان رودخانه در حوضه رود زرد استفاده شد.
.2 مواد و روشها
.1-2 معرفی منطقه مورد مطالعه
حوضه آبخیز رودخانه زرد در جنوبغرب ایران در استان خوزستان با مساحتی حدود810کیلومتر مربع، در محدوده طول شرقی 49 درجه و 40 دقیقه تا 50 درجه و 10 دقیقه و عرض شمالی 31 درجه و 22 دقیقه تا 31 درجه و 42 دقیقه واقع شده است - شکل . - 1 همچنین حداقل ارتفاع حوضه 326 متر در جنوب غربی حوضه و حداکثر ارتفاع آن، 3300 متر درشرق حوضه و بارندگی متوسط 662 میلی متر میباشد. شیب متوسط حوضه نیز 24 درصد میباشد. همچنین در پایین دست این حوضه، سد مخزنی جره قرار دارد که از جمله اهداف آن می توان به تامین آب مورد نیاز زمین های کشاورزی دشت رامهرمز به وسعت حدود 22 هزار هکتار، کنترل سیلاب رودخانه زرد و امکان تولید انرژی برق آبی به میزان 48 گیگاوات ساعت در سال اشاره کرد.
شکل .1 موقعیت حوضه رودخانه زرد در کشور ایران
.2-2 مدل WetSpa
مدل WetSpa از جمله مدلهای پیوسته و توزیعی بوده که با هدف پیشبینی انتقال آب و انرژی بین خاک، گیاهان و اتمسفر توسط وانگ و همکاران - 1997 - در دانشگاه VUB بروکسل در بلژیک کدنویسی شده و سپس توسط دیاسمیت و همکاران - 2000 - توسعه پیدا کرده است. این مدل با استفاده از سامانه اطلاعات جغرافیایی قادر به شبیهسازی فرایندهای هیدرولوژیکی حوضه به صورت - روزانه-ساعتی - میباشد. با استفاده از این مدل میتوان هیدروگراف جریان را در خروجی حوضه و یا هر نقطهای از حوضه که در آن جریان به هم میپیوندد، با گامهای زمانی متفاوت تخمین زد - دی اسمیت و همکاران، . - 2000 دادههای مورد نیاز این مدل را میتوان به دو دسته، اطلاعات رقومی و دادههای اقلیمی- هیدرولوژیکی تقسیمبندی نمود. دادههای رقومی شامل: مدل رقومی ارتفاع - DEM - ، نقشه کاربری-اراضی، نقشه بافتخاک و دادههای اقلیمی شامل: بارندگی، تبخیر و تعرق پتانسیل، دما و دبی در خروجی حوضه میباشند.
همچنین برای انجام مراحل اجرای مدل WetSpa، ابتدا نقشههای دیجیتالی مورد نیاز را بعد از برطرف نمودن خطاهای احتمالی به فرمت رستری با انداره سلول یکسان - در این پروژه 50 * 50 متر - در آورده شدند. سپس طبق جداول مرجع موجود در مدل WetSpa عملیات کلاس بندی نقشهها صورت گرفت. بر اساس نقشه توپوگرافی حوضه رود زرد - شکل - 2 حداکثر و حداقل ارتفاع به ترتیب 3300 و 326 متر از سطح آزاد دریا میباشد. به گونه ای که ارتفاعات از شرق به سمت غرب و جنوب غربی حوضه کاهش پیدا میکند.
همچنین بر اساس نقشه کاربری اراضی حوضه رود زرد - شکل - 3 کشاورزی دیم 17/5 - درصد - ، کشاورزی آبی 4/07 - درصد - ، پوشش جنگلی 36/8 - درصد - ، مراتع 2/3 - درصد - ، بوته زار 39/8 - درصد - ، مناطق مسکونی 0/6 - درصد - و اراضی فاقد پوشش 1/3 - درصد - از سطح حوضه را به خود اختصاص داده اند. با توجه به نقشه بافت خاک - شکل - 4 حدود 36/34 درصد از سطح حوضه دارای کلاس بافت خاک رس سیلتی، 28/78 درصد از سطح حوضه دارای بافت لوم رسی، 22/38 درصد از سطح حوضه بافت لومی، 5/6 درصد از سطح حوضه لوم- رسی- شنی و 7 درصد باقیمانده شامل کلاس بافت خاک رسی، لوم شنی، لوم سیلتی و لوم- رسی- سیلتی میباشد.
